通量觀測場設(shè)備的設(shè)置和附屬設(shè)備

在一個通量觀測塔上需要安裝許多觀測儀器，必須注意各種儀器間可能產(chǎn)生的相互影響，以最小限度地減小對通量傳感器的影響，同時也要考慮不同系統(tǒng)間觀測數(shù)據(jù)相互校正和利用等對觀測高度的要求，在減少相互影響的前提下，盡可能保持梯度觀測與通量觀測高度的一致性。

在通量塔附近，需要搭建放置數(shù)據(jù)記錄器、數(shù)據(jù)采集、收藏工具和校正用的儲氣瓶等小屋或箱子，但搭建時必須注意不能擾亂觀測環(huán)境。如果設(shè)置在觀測塔的附近，觀測小屋的屋頂可能影響凈輻射、反射率或能量通量。另外，小屋作為分析儀器的工作間時，要將溫度和濕度調(diào)節(jié)在機器能夠正常工作的范圍內(nèi)，可以利用隔絕輻射和通風(fēng)換氣以防止高溫影響，利用絕熱設(shè)備以防止低溫影響。在進(jìn)行換氣時，換氣口上應(yīng)安裝防蟲網(wǎng)，若電力供給充裕也可以考慮利用冷卻器(cooler)和加熱器(heater)。在氣溫日較差大，收藏箱內(nèi)的相對濕度增高的情況下，需要采取防止結(jié)露的措施(如利用除濕劑等)。

在安裝儀器時就必須考慮防止雷擊的問題。雖然不可能防止落雷，但可以將落雷產(chǎn)生的危害控制到最小。因為雷具有容易落在比周圍高的尖端物體上的特性，因此觀測塔很容易受到雷擊。雷的危害有直擊雷和誘導(dǎo)雷兩種。直擊雷就是雷直接落在觀測塔等物體上，產(chǎn)生10～100 kA的電流。直擊雷產(chǎn)生的危害荏大，成為火災(zāi)的原因之一。而誘導(dǎo)雷是伴隨直擊雷流動的大電流產(chǎn)生非常強的電磁場在附近信號線和電源線發(fā)生瞬間的高壓電流的現(xiàn)象。由于脈沖電流使電氣儀器受到絕緣被破壞，功能停止、劣化等危害。為了避免或減輕雷擊的危害，最有效的手段就是安裝避雷針。在塔的頂端安裝避雷針，

使用電阻小的地線接地。另外，安裝避雷器(arrester)也有效果，將伴隨落雷產(chǎn)生的大電流經(jīng)地線向大地放電。再者，為了使接地電阻變小，地線的安裝需要考慮如何使其與土壤的接觸面積變大等辦法。

通量塔的供電要盡可能地采用商用電源(AC)。隨著觀測技術(shù)的進(jìn)步和研究工作的發(fā)展，觀測系統(tǒng)的電器的數(shù)量會不斷地增加，因此對電容量的設(shè)計應(yīng)留有充分的余地。在森林內(nèi)配線，最好將電源線放進(jìn)保護管內(nèi)埋設(shè)在地下，或者鋪設(shè)在地上，以避免倒木或落枝損傷和切斷。為防止停電和電壓不穩(wěn)，應(yīng)準(zhǔn)備好備用電源、儲蓄電和穩(wěn)壓設(shè)備。

在偏遠(yuǎn)地方無商用電源時，可考慮使用專用發(fā)電機和太陽能電池。在利用發(fā)電機時，為了避免排氣中的高濃度CO2對通量觀測的影響，應(yīng)該慎重地考慮風(fēng)向和地形，在離塔足夠遠(yuǎn)的地方安裝發(fā)電機。最好要準(zhǔn)備備用發(fā)電機和蓄電池，以便在檢査維護作業(yè)和發(fā)生故障時應(yīng)急使用。若利用太陽能系統(tǒng)，必須有發(fā)電用的太陽能電池和充電用的蓄電池。在白天晴朗的時間段里發(fā)電，其發(fā)電量超過觀測系統(tǒng)的耗電量，將剩余的電量用于充電。充電的電量，用于夜間和白天發(fā)電量少的時間段的消耗。為了防止過分充電和過分放電引起蓄電池性能的劣化，應(yīng)使用充電控制器。另外，在高寒地域或多雨地區(qū)經(jīng)常會因為太陽能發(fā)電不足影響觀測，對此應(yīng)給予充分的注意。 2100433B

草地和水田的觀測多使用高度為2～3 m的簡易的三腳架式的桿，而森林需要建立10～50 m的觀測塔。觀測塔大致區(qū)分為三角結(jié)構(gòu)和以腳手架構(gòu)成的矩形結(jié)構(gòu)，分別有拉線式和自立式，其中拉線式的比較經(jīng)濟。三角型觀測塔，一般使用耐腐蝕的鍍鋅鋼材，利用塔本身的結(jié)構(gòu)材料作梯子，人工作業(yè)在塔的外側(cè)上下移動，而腳手架型觀測塔則使用設(shè)置在內(nèi)側(cè)的階梯作為人工作業(yè)通道。

為了減少塔對通量觀測的影響，最好選擇斷面積小，風(fēng)容易穿過(密閉度小)的結(jié)構(gòu)。然而為了滿足觀測設(shè)備安裝和維護、校正等作業(yè)的需要，要在靠近觀測高度處設(shè)置腳手架(階梯)。若考慮器材搬運和安全性，則內(nèi)側(cè)有階梯的觀測塔更為便利。另外，建設(shè)塔時必須充分注意不能破壞周圍的植被，防止產(chǎn)生空隙林窗，也應(yīng)注意林床的狀態(tài)，為了保護土壤和林床植物，最好設(shè)置木道。

觀測高度要根據(jù)冠層的高度和風(fēng)浪區(qū)的大小來決定。傳感器離開冠層高度越高，影響到觀測結(jié)果的上風(fēng)側(cè)的地表面積就會越大，因此需要更長的風(fēng)浪區(qū)。為了提高通量觀測的空間代表性，在能夠滿足風(fēng)浪區(qū)要求的前提下，盡可能地提高觀測高度是比較好的。應(yīng)盡可能避免在冠層附近觀測，這一點對森林生態(tài)系統(tǒng)的觀測特別重要。原因是森林粗糙度大，與草地相比對通量影響的面積狹長，如果不能正確確定觀測高度，所觀測的結(jié)果可能僅僅是測點附近的特異通量值。

在決定觀測高度的上限時，過去一般多采用風(fēng)浪區(qū)與觀測高度(離冠層平均高度的距離)的比作為指標(biāo)。一般希望這個比值在3%以下。最近，通量貢獻(xiàn)區(qū)(footprint)分析方法得到了應(yīng)用，據(jù)此已經(jīng)可以大致地評價通量觀測結(jié)果的空1司代表性。所謂通量貢獻(xiàn)區(qū)是表示上風(fēng)向的地表面對觀測通量結(jié)果貢獻(xiàn)的權(quán)重系數(shù)，可用無限大的上風(fēng)吹走距離積分表示，則其最大值為1。因此設(shè)定幾個參數(shù)，事前計算通量貢獻(xiàn)區(qū)，就可以作為決定觀測高度時的重要參考。

幾乎所有的通量觀測都是從確定觀測對象(生態(tài)系統(tǒng))開始的，然后是尋找合適的森林、草地或農(nóng)田觀測場所。觀測場所選擇是一個重要問題，它關(guān)系到所獲得數(shù)據(jù)的價值。觀測工作一旦開始，再移動觀測點就需要花費很大的物力和財力，也會浪費觀測研究的時間，因此觀測點的選擇確定必須慎重。

通量觀測理想的場所是地形平坦、植被均質(zhì)分布的下墊面。雖然傾斜坡地和起伏較大的復(fù)雜地形上的通量觀測也是非常重要的研究課題，但應(yīng)盡可能尋找符合理想條件的觀測場所。在站點選擇時，可以利用待選觀測點(或地域)以往的氣象資料調(diào)査分析盛行風(fēng)的季節(jié)變化。設(shè)置觀測塔的場所選擇要求在生物活動的活躍時期，盡可能在上風(fēng)側(cè)具有長的風(fēng)浪區(qū)(fetch)。在風(fēng)的狀況不明時，可以選擇盡可能大的平坦植被斑塊，在其中央附近建立觀測塔。同時還要考慮道路和商用電源的利用條件，過于遠(yuǎn)離可以駛?cè)似嚨牡缆?，不但在設(shè)備安裝、維護和檢修方面都花費大量勞力，也給長期的觀測工作帶來諸多不便，難以保證觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

近地面通量觀測系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)文件包括由數(shù)據(jù)采集器處理后，通過終端計算機處理軟件直接存儲到計算機硬盤中的數(shù)據(jù)文件。數(shù)據(jù)文件分為湍流觀測、梯度觀測和風(fēng)能觀測三大類，其中湍流觀測數(shù)據(jù)文件包括兩類：一類是用來計算通量的高頻原始數(shù)據(jù)（一般10Hz），用于后期做各種數(shù)據(jù)運算和處理；另一類是數(shù)據(jù)采集器在線計算得到的通量，以及計算通量運算中所需要的各種統(tǒng)計量，還包括能量平衡中常規(guī)傳感器的測量結(jié)果。梯度觀測數(shù)據(jù)除滿足《地面氣象觀測規(guī)范》的要求外，同時需滿足用于近地面邊界層能量收支平衡的分析處理。風(fēng)能觀測數(shù)據(jù)是利用通量觀測系統(tǒng)而獲取除梯度觀測資料以外的風(fēng)資料，它也可以作為梯度觀測資料的補充。

近地面通量觀測主要包括近地邊界層大氣溫度、風(fēng)、濕度、輻射、氣壓、降水量、蒸發(fā)量、土壤溫度、土壤濕度、土壤熱通量、地下水位、物質(zhì)通量（水汽、碳通量）觀測及熱量、動量通量等要素觀測，以此來獲取不同代表性下墊面區(qū)域上大氣邊界層的動力、熱力結(jié)構(gòu)，多圈層相互作用過程中各種能量收支、物質(zhì)交換等的綜合信息。

近地面通量觀測直接測定方法(蒸滲儀、箱式法)

Lysimeter：蒸發(fā)滲漏儀(簡稱蒸滲儀)

觀測原理：稱重，前后兩個時間觀測的土柱質(zhì)量差為這一觀測時段該土柱的水的損失量

優(yōu)點：直接觀測，精度高；可以進(jìn)行水分處理，進(jìn)行不同科學(xué)目的的觀測。缺點：自然代表性不夠，應(yīng)用范圍相對較窄。

近地面通量觀測間接測定方法(小氣候法)

1、波文比方法

波文比(Bowen ratio)指地表感熱通量與潛熱通量之比，波文比可以描述空氣的穩(wěn)定狀況：波文比越大，表明感熱交換越強烈，空氣越不穩(wěn)定，波文比越小，空氣穩(wěn)定性越好。

原理：觀測凈輻射和波文比，就能計算獲得感熱通量和潛熱通量。

誤差來源：①平流影響：風(fēng)浪區(qū)長度應(yīng)該在是儀器安裝高度的100倍以上；②空氣穩(wěn)定狀況：適合于中性層結(jié)和不穩(wěn)定層結(jié)；③儀器測量誤差：提高儀器測量精度，及時維護保養(yǎng)。

2、渦度相關(guān)方法

平均值與脈動值：對于一個不斷變化的量，它可以分解為兩部分。

系統(tǒng)主要組成：(1)超聲風(fēng)速儀：10Hz頻譜空氣運動及其速度的三維測量；(2)濕度儀：測量水汽濃度；(3)CO₂氣體分析儀：測量CO₂濃度。

近地面通量觀測大尺度通量的觀測(大孔徑閃爍儀)

原理：空氣的折射指數(shù)與感熱通量之間在理論上存在一個關(guān)系；空氣折射指數(shù)用折射指數(shù)的結(jié)構(gòu)參數(shù)C_n²來描述其湍流強度；C_n²是一個與溫度結(jié)構(gòu)參數(shù)C_T²相關(guān)的一個參數(shù)。

系統(tǒng)主要組成：由一個發(fā)射器和一個接收器組成，發(fā)射器發(fā)射某個波段的一個光束，這個光束的強度由于空氣湍流“閃爍”而發(fā)生改變，通過接收器獲取被改變的光強度。

特點：測定發(fā)射器與接收器之間線狀區(qū)域平均的感熱通量；是一種大尺度(一般可達(dá)5km)的通量觀測手段；對潛熱通量的測定存在一定的問題。

近地面通量觀測通量的分解測定(同位素技術(shù))

發(fā)生同位素分餾作用后的同位素含量與發(fā)生分餾作用前的同位素含量之比定義為分餾系數(shù)。

某物質(zhì)同位素的量等于該物質(zhì)同位素比與該物質(zhì)總量的乘積。

蒸散通量等于蒸發(fā)與蒸騰之和，蒸散的同位素通量等于蒸發(fā)同位素通量與蒸騰同位素通量之和。

水汽同位素的觀測方法：（1）傳統(tǒng)方法：野外通過冷阱裝置提取水汽樣，帶入實驗室，用同位素質(zhì)譜儀分析；（2）原位連續(xù)測定技術(shù)——TDLAS：一種在野外進(jìn)行原位的連續(xù)實施測定分析水汽同位素的儀器。

同位素觀測技術(shù)的新發(fā)展：

美國LGR公司生產(chǎn)的系列同位素分析儀器：該系統(tǒng)應(yīng)用光腔衰蕩光譜技術(shù) (CRDS)。光腔衰蕩光譜技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一種全新的激光吸收光譜技術(shù)，它變傳統(tǒng)吸收光譜中對光強絕對值的測量為對光強衰減時間的測量，從而避免了光強波動對測量結(jié)果的影響。通過光脈沖在諧振腔中的多次反射，可獲得極長的吸收程，大大提高了檢測靈敏度。采用連續(xù)光源的連續(xù)波光腔衰蕩光譜更具有極高的光譜分辨率和探測靈敏度。

特點：不需要參照標(biāo)準(zhǔn)樣品，可連續(xù)現(xiàn)場測量；測量得到的是同位素比率R。 2100433B